隧道及地下工程竖井施工技术研究

段建强

（山西路桥第五工程有限公司,山西 太原 030006）

0 引言

相较于现有竖井混凝土内支撑现浇工艺，构件采用预制厂集中生产的形式，后通过运输设备运输至现场直接吊装，施工效率提升显著；同时采用预制生产安装工艺，直接减少了大量的混凝土湿作业，直接带来的好处就是减少对环境的污染以及施工成本的减少。总体而言此技术很好地解决了目前竖井开挖施工工期长的问题，达到了节约工期、绿色施工的目标，在国内外同类研究成果中处于领先地位[1]。

1 竖井装配式内支撑施工技术

1.1 主要研究内容

（1）首先结合设计图纸利用BIM 技术对竖井内支撑结构进行深化拆分，整环支撑结构拆分为8 个预制块，共涉及10 个节点的现场加强连接。根据BIM 导出的深化图纸，预制厂进行分块预制，预制过程中需要进行连接钢板以及钢筋接驳器预埋，便于后续腰梁节点处连接固定以及预应力施加[2]。

（2）其次将制作好的成品预制块进行编号后运输至现场等待安装，现场开挖一层安装一层，安装前需要提前在竖井底部沿内支撑结构竖向投影位置浇筑一层3 cm厚度的混凝土垫层，便于后续预制块移动就位。预制块现场安装时先安装4 个角点，后安装腰梁位置。全部吊装就位后进行节点间钢筋连接并进行预应力施加，全部节点连接完成后支模进行混凝土浇筑，节点处混凝土采用比预制块高一个标号以上的混凝土进行灌注。节点混凝土强度形成前采用上拉下托的方式对结构进行预加固，腰梁上部采用花篮螺栓连接拉结固定，下部采用工字钢焊接制作的三角托架支撑[3]。

1.2 技术创新性分析

（1）该技术适用于开挖深度≥15 m 的混凝土结构竖井内支撑快速支护施工。创新采用BIM 技术对整环内支撑结构深化拆分，以预制装配形式快速完成竖井混凝土内支撑结构布设。

（2）预制块节点处通过钢筋、工字钢、浇筑高强灌浆料进行连接，同时采取上拉下托辅助措施对支护结构进行二次加固。

1.3 技术价值分析

1.3.1 经济价值的分析

传统竖井混凝土内支撑现浇工艺，施工一层内支撑结构需要7 d 时间，施工完成需养护28 d 待混凝土强度达到设计要求的100%后方可进行下道工序施工，累计每层施工需要35 d。应用该技术进行施工时，竖井混凝土内支撑构件采用提前预制、现场装配安装的方式，施工一层内支撑结构仅需4~5 d 时间，施工效率提升超7 倍，现结合两种不同工艺间涉及的人工、材料、设备以及工期进行综合分析累计产生经济效益62 万元。

1.3.2 社会价值分析

该技术相较于现有竖井混凝土内支撑现浇工艺，构件采用预制厂集中生产的形式，后通过运输设备运输至现场直接吊装，施工效率提升显著；同时采用预制生产安装工艺，直接减少了大量的混凝土湿作业，直接带来的好处就是减少对环境的污染以及施工成本的减少。总体而言该套工艺技术很好地解决了目前竖井开挖施工工期长的问题，达到了节约工期、绿色施工的目标，值得推广应用于类似工程施工。

2 竖井反井式非爆破开挖施工技术

2.1 主要研究内容

（1）主要是改变了传统自上而下全断面开挖、孔口出渣的施工方式，采用旋挖钻机钻孔形成的贯通式漏渣孔进行开挖渣土的运输以及洞内通风。贯通式漏渣孔自竖井开挖面垂直与已完成开挖的横通道连通，开挖渣土经竖井开挖面洞口直接输送至横通道底部，后采用挖掘机配合渣土车出渣。非出渣阶段基于竖井底部与井口的气压差产生的烟囱效应，可实现自然通风。

（2）竖井开挖采用非爆破式开挖工艺，遇硬质岩层结构时，采用网格式分块切割破碎法，施工前将竖井开挖表面整平，后采用岩石切割机将开挖面按要求进行分块切割，切割深度为0.3 m，分块完成后再采用炮锤式挖机逐块破碎，破碎块最大直径不得大于漏渣孔的1/3 直径，破碎块直接通过漏渣孔运输清理。分块大小根据切割效率与机械破碎效率经计算优化得出最佳分块尺寸，竖井开挖所需时间最短。

2.2 技术创新性分析

（1）该技术适用于断面面积大于30 m2、深度不低于20 m、地层结构为较硬岩且下部有出渣通道的城市竖井开挖。针对硬质岩层采用网格式分块切割破碎法，通过实际切割效率与机械破碎效率比对不同分块大小的总耗时，得出最佳分块尺寸，有效地缩短了竖井破碎开挖的时间。

（2）主要漏渣孔施工期间收集漏渣孔渣料和钻进时的钻压、钻速及斜率等数据判断相应位置的地质情况，综合分析围岩状况和漏渣孔钻进的各项参数，为下一步的竖井开挖设备选择和开挖作业提出指导意见和措施。

2.3 技术价值分析

竖井反井式非爆破开挖施工技术难度主要在于对漏渣孔施工期间地质进行分析，判断竖井的围岩状况及节理裂隙情况，为后续竖井开挖设备的选择提供指导。针对较硬岩层，首先根据岩层的硬度及节理裂隙情况，选用具有自动调节冲击频率的设备，并控制破碎深度、动态调整钎杆长度和破碎点的间距；利用切割机进行网格式分块时依据切割效率与机械破碎效率进行分块尺寸优化。

2.3.1 经济价值分析

该技术相较于传统工法直接减少了渣土提升运输费用，同时提升了施工工效，综合人工、材料、设备机具及工期综合分析如下：渣土提升运输费用90 万元，竖井开挖渣土需提升工程量约15 000 m³，综合竖井深度考虑渣土提升单价为60 元/m3；减少通风、排水设备的布设及耗能费用20 万元；工期节约60 d，经核算该工法通过现场应用后直接产生经济效益达110 万元。

2.3.2 社会价值分析

该技术利用漏渣孔实现竖井开挖渣土的快速清理，大幅提高了竖井开挖速度；同时针对竖井复杂岩层结构，采用网格式分块切割破碎法实现非爆破开挖掘进，有效减少了对施工场地周围既有建筑物的扰动，避免了周围既有建筑物在施工期间出现沉降变形的问题，同时还减少了爆破施工产生的振动和噪音。

3 工程实例应用分析

某公路工程计划工期2020 年9 月16 日至2022 年10 月30 日，共计25.5 个月。主要分项工程工期安排见表1~2。3 座隧道由3 个施工队根据三座隧道的施工难易程度进行施工。

表1 总体工期安排表

表2 主要工程数量表

（1）1 号隧道计划由进口开始，按两个作业面进洞施工，在完成1 号隧道后，继续掘进2 号隧道进口端左右洞各800 m 左右。施工任务安排见表3。

表3 1 号隧道实施表

（2）丁家湾2 号隧道计划从出口端开始，按两个作业面进洞施工，见表4。

表4 2 号隧道实施表

（3）3 号隧道计划从进口端开始，按两个作业面进洞施工。见表5。

表5 3 号隧道实施表

4 结语

综上所述，通过技术应用，现场取得了显著的经济和社会效益。技术应用过程顺利，无任何问题出现，很好地解决了目前竖井开挖施工工期长的问题，达到了节约工期、绿色施工的目标，值得推广应用于类似工程施工。